一种基于长短期记忆网络的组织光学参数提取方法及系统技术方案

一种基于长短期记忆网络的组织光学参数提取方法及系统，属于机器学习和生物医学交叉的技术领域，解决在提取组织光学参数时，仅利用到部分漫反射光信息，忽略了光谱数据序列特征的相关性，而造成的组织光学参数提取不准确的问题；本发明专利技术将长短期记忆网络引入组织空间分辨漫反射光谱生成模型，充分挖掘光谱数据点中的相关性，在减小模型参数的同时增加模型预测能力；在训练组织空间分辨漫反射光谱生成模型时，不考虑光纤探头结构，将组织表面出射的全部空间分辨漫反射光谱纳入预数据集，数据维数更大，经过训练后模型精度更高，有效提高组织光学参数与漫反射光谱映射模型的准确性，进而提高组织光学参数提取的效率和精度。而提高组织光学参数提取的效率和精度。而提高组织光学参数提取的效率和精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于长短期记忆网络的组织光学参数提取方法及系统


[0001]本专利技术属于机器学习和生物医学交叉的
，涉及一种基于长短期记忆网络(long
‑
short term memory，LSTM)的组织光学参数提取方法及系统。

技术介绍

[0002]人体皮肤组织光学特性(包括吸收系数、散射系数)的变化与组织生理状态及组织内部微环境密切相关，为组织形态学研究、肿瘤等疾病的检测、代谢动态监测，以及光动力治疗等临床应用提供了基础。组织漫反射光谱源于经组织调制的后向散射光，携带有组织光学特性信息，可用来提取组织吸收系数、散射系数。组织漫反射光谱测量通常会借助特定结构的光纤探头，然后利用不同照明
‑
探测径向距离来测量空间分辨漫反射光谱，或在单一光源
‑
探测径向距离下测量不同波长下的漫反射光谱，亦或是测量空间频率域漫反射光谱。为了从实际测量的组织漫反射光谱中提取组织光学参数，首先需要确定组织光学参数到漫反射光谱的正向模型。目前确定正向模型的方法主要是慢射近似法和蒙特卡罗方法。漫射近似法是辐射传输方程的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于长短期记忆网络的组织光学参数提取方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据待测组织类型，确定多层皮肤组织光学模型的结构参数和光学参数；S2、针对步骤S1中所述的多层皮肤组织光学模型，采用基于显卡加速的蒙特卡洛方法模拟不同光学参数情况下组织表面出射的空间分辨漫反射光谱，生成组织光学参数和组织空间分辨漫反射光谱组成的数据集；同时为了充分利用漫反射光谱信息，数据集不考虑光纤探头探测范围的限制，将组织表面出射的全部空间分辨漫反射光谱纳入数据集；S3、设计基于长短期记忆网络的组织空间分辨漫反射光谱生成模型，以组织光学参数和组织空间分辨漫反射光谱数据集作为训练集，采用误差反向传播算法优化生成模型参数；S4、根据朗伯比尔定律及米散射理论，由组织生理参数计算组织光学参数，结合光纤探头中照明光纤与收集光纤纤芯距离与组织空间分辨漫反射光谱生成模型，采用最小二乘拟合提取组织生理参数，并反演组织光学参数；S5、在确定组织生理参数提取方法后，以组织生理参数提取误差作为代价函数，采用迭代拟合方法优化光纤探头中照明光纤与收集光纤纤芯距离，在优化后的照明光纤与收集光纤纤芯距离下,执行步骤S4即可得到皮肤组织生理和光学参数。2.根据权利要求1所述的一种基于长短期记忆网络的组织光学参数提取方法，其特征在于，步骤S1中所述的皮肤组织光学模型的结构参数包括：组织层数m、各层厚度d；所述的皮肤组织光学模型的光学参数包括：各层组织的吸收系数μ
a
，散射系数μ
s
，各项异性系数g以及折射率n。3.根据权利要求2所述的一种基于长短期记忆网络的组织光学参数提取方法，其特征在于，步骤S3中所述的长短期记忆网络为单向网络或双向网络。4.根据权利要求3所述的一种基于长短期记忆网络的组织光学参数提取方法，其特征在于，步骤S4中所述的结合光纤探头中照明光纤与收集光纤纤芯距离与组织空间分辨漫反射光谱生成模型，采用最小二乘拟合提取组织生理参数，并反演组织光学参数的具体实现步骤为：(1)随机初始化组织生理参数；(2)根据朗伯比尔定律、米散射理论，计算不同波长下组织吸收系数和散射系数；(3)将组织吸收系数和散射系数输入组织空间分辨漫反射光谱生成模型，计算不同波长下组织表面出射的空间分辨漫反射光谱；(4)根据光纤探头结构，计算不同波长下光纤探头探测到的组织漫反射光强；(5)计算模型生成的漫反射光谱和实测漫反射光谱之间的误差，根据误差大小修正输入的生理参数；(6)不断重复(2)～(5)过程，直到模型生成的漫反射光谱和实测漫反射光谱重合，此时对应的生理参数即为待测组织生理参数；(7)将提取到的组织生理参数代入朗伯比尔定律和米散射理论反演组织光学参数。5.根据权利要求4所述的一种基于长短期记忆网络的组织光学参数提取方法，其特征在于，步骤S5中所述的采用迭代拟合方法优化光纤探头中照明光纤与收集光纤纤芯距离的具体实现步骤如下：(a)在皮肤组织典型生理参数下，采用朗伯比尔定律和米散射理论计算不同波长的组
织吸收系数、散射系数；(b)使用组织空间分辨漫反射光谱生成模型，计算不同波长下组织表面出射的空间分辨漫反射光谱；(c)随机初始化光纤探头中照明光纤与收集光纤纤芯距离，并计算组织表面出射的光谱分辨漫反射光谱；(d)根据皮肤组织生理参数提取方法，以光谱分辨漫反射光谱作为输入，反演组织生理参数，计算该参数与皮肤组织典型生理参数之间的误差；根据误差大小修正照明光纤与收集光纤纤芯距离；(e)不断重复(d)，直到模型提取的生理参数与皮肤组织典型生理参数差异最小，此时对应的照明光纤与收集光纤纤芯距离即为最佳距离。6.一种基于长短期记忆网络的组织光学参数提取系统，其特征在于，包括：模型参数确定模块、数据集生成模块、模型优化模块、组织光学...

【专利技术属性】
技术研发人员：王贻坤，张元志，张洋，邓国庆，刘勇，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：